Prefácio
Com o desenvolvimento da tecnologia ultrassônica, sua aplicação é cada vez mais extensa, pode ser usada para limpar pequenas partículas de sujeira e também pode ser usado para soldagem de metal ou plástico. Especialmente nos produtos plásticos de hoje, a soldagem ultrassônica é usada principalmente, porque a estrutura do parafuso é omitida, a aparência pode ser mais perfeita e a função da impermeabilização e à prova de poeira também é fornecida. O design do chifre de soldagem plástico tem um impacto importante na qualidade final da soldagem e na capacidade de produção. Na produção de novos medidores elétricos, as ondas ultrassônicas são usadas para fundir as faces superior e inferior. No entanto, durante o uso, verifica -se que algumas ferramentas são instaladas na máquina e rachadas e outras falhas ocorrem em um curto período de tempo. Alguns produtos de soldagem de ferramentas A taxa de defeito é alta. Várias falhas tiveram um impacto considerável na produção. De acordo com o entendimento, os fornecedores de equipamentos têm recursos limitados de projeto para ferramentas e, muitas vezes, através de reparos repetidos para obter indicadores de design. Portanto, é necessário usar nossas próprias vantagens tecnológicas para desenvolver ferramentas duráveis e um método de design razoável.
2 Princípio de soldagem plástica ultrassônica
A soldagem plástica ultrassônica é um método de processamento que utiliza a combinação de termoplásticos na vibração forçada de alta frequência, e as superfícies de soldagem se esfregam para produzir um derretimento local de alta temperatura. Para obter bons resultados de soldagem ultrassônica, são necessários parâmetros de soldagem, materiais e processos. A seguir, é apresentada uma breve introdução ao seu princípio.
2.1 Sistema de soldagem plástica ultrassônica
A Figura 1 é uma visão esquemática de um sistema de soldagem. A energia elétrica é passada através do gerador de sinal e o amplificador de potência para produzir um sinal elétrico alternado de frequência ultrassônica (> 20 kHz) aplicada ao transdutor (cerâmica piezoelétrica). Através do transdutor, a energia elétrica se torna a energia da vibração mecânica, e a amplitude da vibração mecânica é ajustada pela buzina à amplitude de trabalho apropriada e, em seguida, transmitida uniformemente ao material em contato com ele através da cabeça da ferramenta (ferramenta de soldagem). As superfícies de contato dos dois materiais de soldagem são submetidas a vibração forçada de alta frequência e o calor do atrito gera derretimento local de alta temperatura. Após o resfriamento, os materiais são combinados para obter soldagem.
Em um sistema de soldagem, a fonte de sinal é uma parte do circuito que contém um circuito de amplificador de energia cuja estabilidade de frequência e capacidade de acionamento afetam o desempenho da máquina. O material é um termoplástico e o projeto da superfície da junta precisa considerar como gerar rapidamente calor e doca. Transdutores, chifres e cabeças de ferramentas podem ser considerados estruturas mecânicas para facilitar a análise do acoplamento de suas vibrações. Na soldagem plástica, a vibração mecânica é transmitida na forma de ondas longitudinais. Como transferir efetivamente a energia e ajustar a amplitude é o ponto principal do design.
2.2 Cabeça da ferramenta (ferramenta de soldagem)
A cabeça da ferramenta serve como interface de contato entre a máquina de soldagem ultrassônica e o material. Sua principal função é transmitir a vibração mecânica longitudinal emitida pelo variador uniformemente e eficiente ao material. O material usado é geralmente liga de alumínio de alta qualidade ou até liga de titânio. Como o design dos materiais plásticos muda muito, a aparência é muito diferente e a cabeça da ferramenta precisa mudar de acordo. A forma da superfície de trabalho deve ser bem combinada com o material, para não danificar o plástico ao vibrar; Ao mesmo tempo, a primeira frequência sólida de vibração longitudinal do pedido deve ser coordenada com a frequência de saída da máquina de soldagem, caso contrário, a energia de vibração será consumida internamente. Quando a cabeça da ferramenta vibra, a concentração de tensão local ocorre. Como otimizar essas estruturas locais também é uma consideração de design. Este artigo explora como aplicar cabeças de ferramentas de design do ANSYS para otimizar parâmetros de design e tolerâncias de fabricação.
3 Design de ferramentas de soldagem
Como mencionado anteriormente, o design das ferramentas de soldagem é bastante importante. Existem muitos fornecedores de equipamentos ultrassônicos na China que produzem suas próprias ferramentas de soldagem, mas uma parte considerável deles são imitações e, em seguida, estão constantemente aparando e testando. Através desse método de ajuste repetido, a coordenação de ferramentas e frequência do equipamento é alcançada. Neste artigo, o método do elemento finito pode ser usado para determinar a frequência ao projetar as ferramentas. O resultado do teste de ferramentas e o erro de frequência de projeto são apenas 1%. Ao mesmo tempo, este artigo apresenta o conceito de DFSS (Design for Six Sigma) para otimizar e o design robusto de ferramentas. O conceito de design de 6 - Sigma é coletar totalmente a voz do cliente no processo de design para design direcionado; e pré -consideração de possíveis desvios no processo de produção para garantir que a qualidade do produto final seja distribuída em um nível razoável. O processo de design é mostrado na Figura 2. A partir do desenvolvimento dos indicadores de design, a estrutura e as dimensões das ferramentas são projetadas inicialmente de acordo com a experiência existente. O modelo paramétrico é estabelecido no ANSYS e, em seguida, o modelo é determinado pelo método de design do experimento de simulação (DOE). Parâmetros importantes, de acordo com os requisitos robustos, determinam o valor e, em seguida, use o método sub - Problema para otimizar outros parâmetros. Levando em consideração a influência de materiais e parâmetros ambientais durante a fabricação e o uso das ferramentas, ela também foi projetada com tolerâncias para atender aos requisitos dos custos de fabricação. Finalmente, o design da teoria de fabricação, teste e teste e erro real, para atender aos indicadores de design que são entregues. A seguinte etapa - por - Etapa Introdução detalhada.
3.1 Projeto de forma geométrica (estabelecendo um modelo paramétrico)
A projeção da ferramenta de soldagem primeiro determina sua forma e estrutura geométrica aproximada e estabelece um modelo paramétrico para análise subsequente. Figura 3 a) é o design das ferramentas de soldagem mais comuns, nas quais várias ranhuras em forma de U - são abertas na direção da vibração em um material de aproximadamente cubóide. As dimensões gerais são os comprimentos das direções x, y e z, e as dimensões laterais x e y geralmente são comparáveis ao tamanho da peça de trabalho sendo soldada. O comprimento de z é igual ao meio comprimento de onda da onda ultrassônica, porque na teoria da vibração clássica, a primeira frequência axial da ordem do objeto alongada é determinada por seu comprimento e o comprimento da metade - onda é exatamente correspondente à frequência da onda acústica. Este design foi estendido. O uso é benéfico para a propagação de ondas sonoras. O objetivo da ranhura em forma de U - é reduzir a perda de vibração lateral das ferramentas. A posição, o tamanho e o número são determinados de acordo com o tamanho geral das ferramentas. Pode -se observar que, neste design, há menos parâmetros que podem ser regulamentados livremente, por isso fizemos melhorias nessa base. A Figura 3 b) é uma ferramenta recém -projetada que possui um parâmetro de tamanho mais que o design tradicional: o raio do arco externo R. Além disso, a ranhura é gravada na superfície de trabalho da ferramenta para cooperar com a superfície da peça de trabalho plástica, que é benéfica para transmitir energia de vibração e proteger a peça de trabalho da dano. Este modelo é rotineiramente modelado parametricamente no ANSYS e, em seguida, no próximo projeto experimental.
3.2 Projeto experimental do DOE (determinação de parâmetros importantes)
O DFSS é criado para resolver problemas práticos de engenharia. Não busca perfeição, mas é eficaz e robusto. Ele incorpora a idéia de 6 - Sigma, captura a principal contradição e abandona “99,97%”, enquanto exige que o design seja bastante resistente à variabilidade ambiental. Portanto, antes de fazer a otimização de parâmetros de destino, ela deve ser examinada primeiro e o tamanho que tem uma influência importante na estrutura deve ser selecionado e seus valores devem ser determinados de acordo com o princípio da robustez.
3.2.1 Configuração de parâmetros do DOE e DOE
Os parâmetros de design são a forma de ferramentas e a posição de tamanho da ranhura em forma de U -, etc., um total de oito. O parâmetro alvo é a primeira frequência de vibração axial - Order, porque tem a maior influência na solda e a tensão máxima concentrada e a diferença na amplitude da superfície de trabalho são limitadas como variáveis de estado. Com base na experiência, supõe -se que o efeito dos parâmetros nos resultados seja linear; portanto, cada fator é definido apenas para dois níveis, alto e baixo. A lista de parâmetros e nomes correspondentes é a seguinte.
O DOE é realizado no ANSYS usando o modelo paramétrico anteriormente estabelecido. Devido às limitações de software, o Full - Factor Doe só pode usar até 7 parâmetros, enquanto o modelo possui 8 parâmetros, e a análise da ANSYS dos resultados do DOE não é tão abrangente quanto o software profissional 6 - Sigma e não pode lidar com a interação. Portanto, usamos o APDL para escrever um loop de doe para calcular e extrair os resultados do programa e, em seguida, colocar os dados no Minitab para análise.
3.2.2 Análise dos resultados do DOE
A análise do DOE do Minitab é mostrada na Figura 4 e inclui a análise dos fatores de influência principal e a análise de interação. A principal análise fatorial de influência é usada para determinar quais alterações variáveis de projeto têm um impacto maior na variável alvo, indicando que são importantes variáveis de design. A interação entre os fatores é então analisada para determinar o nível dos fatores e reduzir o grau de acoplamento entre as variáveis de projeto. Compare o grau de mudança de outros fatores quando um fator de projeto é alto ou baixo. De acordo com o axioma independente, o design ideal não é acoplado um ao outro; portanto, escolha o nível menos variável.
Os resultados da análise das ferramentas de soldagem neste artigo são: os parâmetros importantes de design são o raio do arco externo e a largura do slot da ferramenta. O nível de ambos os parâmetros é "alto", ou seja, o raio leva um valor maior na DOE e a largura da ranhura também leva um valor maior. Os parâmetros importantes e seus valores foram determinados e, em seguida, vários outros parâmetros foram usados para otimizar o design no ANSYS para ajustar a frequência de ferramentas para corresponder à frequência operacional da máquina de soldagem. O processo de otimização é o seguinte.
3.3 Otimização de parâmetros de destino (frequência de ferramentas)
As configurações de parâmetros da otimização do design são semelhantes às da DOE. A diferença é que os valores de dois parâmetros importantes foram determinados e os outros três parâmetros estão relacionados às propriedades do material, que são consideradas ruído e não podem ser otimizadas. Os três parâmetros restantes que podem ser ajustados são a posição axial do slot, o comprimento e a largura da ferramenta. A otimização usa o método de aproximação de subproblema no ANSYS, que é um método amplamente utilizado em problemas de engenharia, e o processo específico é omitido.
Vale ressaltar que o uso de frequência como variável de destino requer um pouco de habilidade em operação. Como existem muitos parâmetros de design e uma ampla gama de variações, os modos de vibração das ferramentas são muitos na faixa de interesse da frequência. Se o resultado da análise modal for usada diretamente, é difícil encontrar o primeiro modo de ordem de ordem, porque a intercalação da sequência modal pode ocorrer quando os parâmetros mudarem, ou seja, a ordinal de frequência natural correspondente às mudanças no modo original. Portanto, este artigo adota primeiro a análise modal e depois usa o método de superposição modal para obter a curva de resposta a frequência. Ao encontrar o valor de pico da curva de resposta a frequência, ele pode garantir a frequência modal correspondente. Isso é muito importante no processo de otimização automática, eliminando a necessidade de determinar manualmente a modalidade.
Após a conclusão da otimização, a frequência de trabalho do projeto das ferramentas pode estar muito próxima da frequência de destino e o erro é menor que o valor de tolerância especificado na otimização. Nesse ponto, o design de ferramentas é basicamente determinado, seguido de tolerâncias de fabricação para o design da produção.
3.4 Design de tolerância
O projeto estrutural geral é concluído após a determinação de todos os parâmetros de projeto, mas para problemas de engenharia, especialmente ao considerar o custo da produção em massa, o design da tolerância é essencial. O custo de baixa precisão também é reduzido, mas a capacidade de atender às métricas de projeto requer cálculos estatísticos para cálculos quantitativos. O sistema de design de probabilidade do PDS no ANSYS pode analisar melhor a relação entre a tolerância ao parâmetro de design e a tolerância ao parâmetro de destino e pode gerar arquivos de relatório relacionados completos.
3.4.1 Configurações e cálculos de parâmetros do PDS
De acordo com a idéia do DFSS, a análise de tolerância deve ser realizada em importantes parâmetros de projeto, e outras tolerâncias gerais podem ser determinadas empiricamente. A situação neste artigo é bastante especial, porque, de acordo com a capacidade da usinagem, a tolerância à fabricação dos parâmetros de projeto geométrica é muito pequena e tem pouco efeito na frequência final de ferramentas; Embora os parâmetros das matérias -primas sejam muito diferentes devido aos fornecedores, e o preço das matérias -primas é responsável por mais de 80% dos custos de processamento de ferramentas. Portanto, é necessário definir uma faixa de tolerância razoável para as propriedades do material. As propriedades do material relevante aqui são densidade, módulo de elasticidade e velocidade da propagação de ondas sonoras.
A análise de tolerância usa a simulação aleatória de Monte Carlo no ANSYS para amostrar o método Latin Hypercube, pois pode tornar a distribuição dos pontos de amostragem mais uniforme e razoável e obter melhor correlação em menos pontos. Este artigo define 30 pontos. Suponha que as tolerâncias dos três parâmetros do material sejam distribuídas de acordo com Gauss, inicialmente recebidas um limite superior e inferior e depois calculadas no ANSYS.
3.4.2 Análise dos resultados do PDS
Através do cálculo do PDS, os valores variáveis de destino correspondentes a 30 pontos de amostragem são fornecidos. A distribuição das variáveis de destino é desconhecida. Os parâmetros são ajustados novamente usando o software Minitab e a frequência é basicamente distribuída de acordo com a distribuição normal. Isso garante a teoria estatística da análise de tolerância.
O cálculo do PDS fornece uma fórmula de ajuste da variável de design para a expansão da tolerância da variável de destino: onde y é a variável de destino, x é a variável de design, C é o coeficiente de correlação e I é o número da variável.
De acordo com isso, a tolerância de destino pode ser atribuída a cada variável de design para concluir a tarefa de design de tolerância.
3.5 Verificação experimental
A parte frontal é o processo de design de toda a ferramenta de soldagem. Após a conclusão, as matérias -primas são adquiridas de acordo com as tolerâncias de material permitidas pelo design e depois entregues à fabricação. A frequência e os testes modais são realizados após a conclusão da fabricação e o método de teste usado é o método de teste de atirador de elite mais simples e eficaz. Como o índice mais envolvido é a primeira frequência modal axial da ordem, o sensor de aceleração é conectado à superfície de trabalho e a outra extremidade é atingida ao longo da direção axial, e a frequência real da ferramenta pode ser obtida por análise espectral. O resultado da simulação do projeto é de 14925 Hz, o resultado do teste é de 14954 Hz, a resolução de frequência é de 16 Hz e o erro máximo é menor que 1%. Pode -se observar que a precisão da simulação de elementos finitos no cálculo modal é muito alta.
Depois de passar no teste experimental, as ferramentas são colocadas em produção e montagem na máquina de soldagem ultrassônica. A condição de reação é boa. O trabalho está estável há mais de meio ano, e a taxa de qualificação de soldagem é alta, o que excedeu a vida útil do serviço de três meses prometida pelo fabricante de equipamentos gerais. Isso mostra que o design é bem -sucedido e o processo de fabricação não foi modificado e ajustado repetidamente, economizando tempo e mão de obra.
4 Conclusão
Este artigo começa com o princípio da soldagem plástica ultrassônica, compreende profundamente o foco técnico da soldagem e propõe o conceito de design de novas ferramentas. Em seguida, use a poderosa função de simulação do elemento finito para analisar o projeto concretamente e introduza a idéia de design do DFSS 6 - Finalmente, as ferramentas foram fabricadas com sucesso uma vez e o design foi razoável pelo teste de frequência experimental e pela verificação real da produção. Isso também prova que esse conjunto de métodos de design é viável e eficaz.
Hora de postagem: novembro - 04 - 2020